CN115149884B - 一种升压型三相电驱动器及其容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种升压型三相电驱动器及其容错控制方法，依据***运行情况调整相应的拓扑结构以及控制算法，故障后切换升压型三相六开关拓扑为升压型三相四开关拓扑；由原来的转速环、电流环双环控制切换为电压环，转速环，电流环三环控制；重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量；采用4扇区划分方式，对扇区进行划分；从重构的基本电压矢量中选择作用矢量，并确定对应的作用时间；确定升压型三相电驱动器重构拓扑后各开关管的导通时间；将开关管导通时间与三角载波进行调制，输出开关管PWM脉冲信号，完成容错控制。本发明可实现高电能质量、满负荷的容错运行，提高了升压型电驱动器的可靠性。

Description

一种升压型三相电驱动器及其容错控制方法
技术领域
本发明属于电驱动控制技术领域，具体涉及一种升压型三相电驱动器及其容错控制方法。
背景技术
一些储能或发电装置，如储能电池、燃料电池、光伏发电装置等是使用低压电池构建的。要想获得较高的电压，一种方法是串联连接以获得所需的电压。由于电池之间的差异和不同的工作条件，大量电池的串联连接将增加***的复杂性，并可能降低其性能。另一种方式是在DC源和驱动器之间使用DC-DC升压转换器，然后逆变为交流电以供实际应用。此种需要额外升压电路的***称之为两级驱动器。根据所涉及的功率和电压水平，采用两级驱动器，会出现***体积大、重量重、成本高和效率降低等问题。
具备升压功能的单级DC-AC驱动器，在尺寸、成本、重量和整个***的复杂性方面优于两级驱动器，是一种很好的替代方案。在高负荷、超负荷运行的情况下，功率开关管是变流器中最脆弱的部分，调查显示在变流器***中开关管的故障率已达到38%。为了避免重大事故和减少故障停机时间，尽可能恢复故障前的性能，必须要对升压型三相电驱动***进行容错控制。
现有的具备升降压功能的单级三相逆变器主要有Z源逆变器(ZSI)、降压-升压电压源逆变器(BBVSI)、Y源逆变器(YSI)、***源逆变器(SSI)。SSI在这些拓扑中相比具有额外的优势。SSI与使用额外有源半导体开关的BBVSI相比，其仅使用二极管；与ZSI和YSI相比，其减少了无源元件的数量。SSI的桥上的电压是恒定的，利用与常规三相电压源逆变器(VSI)相同的调制方案即可实现控制。论文《Three-Phase Split-Source Inverter (SSI):Analysis and Modulation》分析了***源逆变器SSI的工作方式以及调制方法。但是目前并没有研究针对于解决三相六开关***源逆变器的容错技术。
发明内容
本发明目的在于提出了一种升压型三相电驱动器及其容错控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种升压型三相电驱动器，直流侧由两个串联电容Cf组成，两电容的中点通过3个双向晶闸管TR1、TR2、TR3分别连接到a、b、c三相绕组端，串联电容的另一端分别连接三相桥臂a相、b相、c相；供电电源UIn负极连接三相桥臂a相、b相、c相的下桥臂，正极连接电感L1，电感L1另一端连接二极管D7、D8、D9的正极，二极管D7、D8、D9负极分别连接a、b、c三相绕组端；三相桥臂a相、b相、c相由六个IGBT功率开关管S1~S6以及与开关管并联的六个二极管D1~D6组成，每相桥臂串联2个快速熔丝，共有6个快速熔丝F1~F6；当驱动器某一桥臂功率器件发生短路故障时，对应快速熔丝熔断，断开故障桥臂；开路故障时，故障桥臂自动失效，停止输入故障桥臂开关管驱动信号，同时打开相应的双向晶闸管，切换***为升压型三相四开关拓扑结构。
进一步的，采用转速外环，电流内环双闭环运行，其中转速环采集电机转速，与参考转速作差输入PI调节器，输出q轴电流参考值；电流环采集三相电流、电机电角度，经过Park变换得到d
Figure 893276DEST_PATH_IMAGE001
q轴电流，分别与d、q轴电流参考值作差输入PI调节器，输出d、q轴电压参考值，经过Park逆变换得到α、β轴电压参考值
Figure 810417DEST_PATH_IMAGE002
，输入SVPWM控制模块生成6路控制IGBT门极通断的信号；
容错运行时采用电压、转速外环，电流内环三闭环运行，其中转速环、电流环与正常运行时一致，电压环中电压参考值是正常运行时直流侧电容电压的两倍，与采集到的直流侧电容电压作差，输入PI调节器，输出中间变量Tz，输入到SVPWM模块中，PI模块不断调整Tz的值直至直流侧电容电压Udc抬升到原先的两倍，完成容错控制。
一种升压型三相电驱动器容错控制方法，基于所述的升压型三相电驱动器完成容错控制，包括如下步骤：
步骤1、建立无故障情况下基本电压矢量；
步骤2、根据故障开关管的位置，切换升压型三相电驱动器的拓扑结构；
步骤3、重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量；
步骤4、采用4扇区划分方式，对扇区进行划分；
步骤5、从重构的基本电压矢量中选择作用矢量，并确定对应的作用时间；
步骤6、确定升压型三相电驱动器重构拓扑后各开关管的导通时间；
步骤7、将开关管导通时间与三角载波进行调制，输出开关管PWM脉冲信号，完成容错控制。
进一步的，步骤1，建立无故障情况下基本电压矢量，如表1所示：
表1 无故障基本电压矢量表
Figure 216253DEST_PATH_IMAGE004
其中(Sa Sb Sc)为a、b、c相桥臂的开关函数，函数值为“1”表示该相上桥臂开关管导通，“0”表示该相下桥壁开关管导通，开关管不同开关状态组合分别对应8个基本电压矢量，分别为：U0 (000)、U1 (100)、U2 (110)、U3 (010)、U4 (011)、U5 (001)、U6 (101)、U7(111)，表中Ua、Ub、Uc为三相驱动器三相相电压，Uk为a、b、c三相电压经过Clark变换后得到的基本电压矢量，k取0~7，Udc为直流侧电容电压。
进一步的，步骤2，根据故障开关管的位置，切换升压型三相电驱动器的拓扑结构，具体方法为：
a相故障时，升压型三相电驱动器由b、c相的四个开关管控制，b相故障时，升压型三相电驱动器由c、a相的四个开关管控制，c相故障时，升压型三相电驱动器由a、b相的四个开关管控制，由于故障包括开路故障和短路故障，开路故障对应的双向晶闸管动作如表2所示：
表2 不同开关管开路故障对应的双向晶闸管动作
Figure 611462DEST_PATH_IMAGE006
当开关管发生短路故障后，对应开关管的快速熔丝熔断，将短路故障转换为开路故障，短路故障对应的双向晶闸管以及快速熔丝动作如表3所示；
表3 不同开关管短路故障对应的双向晶闸管以及快速熔丝动作
Figure 550468DEST_PATH_IMAGE007
进一步的，步骤3，重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量，具体方法为：
确定电机相电压与开关状态的关系：
Figure 372930DEST_PATH_IMAGE008
式中Ua、Ub、Uc为三相驱动器三相相电压，Sa、Sb、Sc分别表示a、b、c桥臂上功率器件的开关状态，等于“1”时表示上管开通下管关断，等于“0”时表示下管开通上管关断；当a相故障时，电机绕组a相连接于电容中点，Sa恒为1/2；升压型三相电驱动器由b、c相的四个开关管控制，具有(Sb Sc)=(0 0)、(Sb Sc)=(0 1)、(Sb Sc)=(1 0)、(Sb Sc)=(1 1)4种开关状态；当b相故障时，电机绕组b相连接于电容中点，Sb恒为1/2，升压型三相电驱动器由c、a相的四个开关管控制，具有(Sc Sa)=(0 0)、(Sc Sa)=(0 1)、(Sc Sa)=(1 0)、(Sc Sa)=(11)4种开关状态；当c相故障时，电机绕组c相连接于电容中点，Sc恒为1/2，升压型三相电驱动器由a、b相的四个开关管控制，具有(Sa Sb)=(0 0)、(Sa Sb)=(0 1)、(Sa Sb)=(1 0)、(SaSb)=(1 1)4种开关状态；
确定三相合成电压空间矢量：
Figure 266062DEST_PATH_IMAGE009
式中
Figure 464962DEST_PATH_IMAGE010
为空间旋转因子；
确定重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量，如表4所示；
表4 重构的基本电压矢量表
Figure 258475DEST_PATH_IMAGE012
由于a、b、c三相中的某一相发生故障后，U0’、U1’、U2’、U3’四个基本电压矢量在平面中按照U0’、U1’、U3’、U2’顺时针排序，每个相邻矢量间隔90°，为了简化统一各相故障后参考矢量的计算，令坐标轴
Figure 251839DEST_PATH_IMAGE013
’、
Figure 632267DEST_PATH_IMAGE014
’正方向为基本电压矢量U0’、U2’的正方向，参考矢量
Figure 369279DEST_PATH_IMAGE015
在
Figure 17298DEST_PATH_IMAGE013
’、
Figure 447142DEST_PATH_IMAGE014
’轴上的投影为
Figure 314866DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 589990DEST_PATH_IMAGE017
。
进一步的，步骤4，采用四扇区划分方式，对扇区进行划分，具体方法为：
定义函数：
Figure 233461DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 693261DEST_PATH_IMAGE019
定义扇区计算值N：
Figure 422182DEST_PATH_IMAGE020
通过表5确定N与实际扇区编号之间的对应关系，完成扇区划分；
表5 N的计算值与扇区对应关系表
Figure 127095DEST_PATH_IMAGE022
进一步的，步骤5，从重构的基本电压矢量中选择作用矢量，并确定对应的作用时间，具体方法为：
步骤5.1，从重构的基本电压矢量中选择作用矢量；
作用矢量包括有效矢量和零矢量，将基本电压矢量U0’~U3’单独作为有效矢量，取两个相反方向的基本电压矢量合成等效零矢量，即使用U0’（00）、U3’（11）合成一个等效零矢量，使用U1’（01）、U2’（10）合成另外一个等效零矢量；将有效矢量和等效零矢量一起合成参考矢量；
考虑到最小开关损耗，当参考矢量位于第一扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U2’、U0’、U1’、U3’；当参考矢量位于第二扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U3’、U2’、U0’、U1’；当参考矢量位于第三扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U1’、U3’、U2’、U0’；当参考矢量位于第四扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U0’、U1’、U3’、U2’；
步骤5.2，确定作用矢量的作用时间；
定义中间变量：
Figure 625073DEST_PATH_IMAGE023
式中Ts为开关周期；
设第一扇区作用的有效矢量为U0’、U2’，作用时间分别为Tx、Ty；第二扇区作用的有效矢量为U2’、U3’，作用时间分别为Tx、Ty；第三扇区作用的有效矢量为U3’、U1’，作用时间分别为Tx、Ty；第四扇区作用的有效矢量为U1’、U0’，作用时间分别为Tx、Ty；通过表6确定各扇区有效矢量的作用时间；
表6 各扇区有效矢量的作用时间
Figure 521354DEST_PATH_IMAGE025
定义等效零矢量的作用时间：
T0=Ts-Tx-Ty
由于每个扇区的等效零矢量由U0’、U1’、U2’、U3’共同合成，定义中间变量：
0<=Tz<=T0
合成等效零矢量的两个基本电压矢量的作用时间相等，则U1’、U2’的作用时间为
Figure 471992DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 980596DEST_PATH_IMAGE026
；U0’、U3’的作用时间为
Figure 333080DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 400262DEST_PATH_IMAGE027
；
通过表7确定各扇区基本电压矢量作用时间：
表7各扇区基本电压矢量作用时间
Figure 838197DEST_PATH_IMAGE028
。
进一步的，步骤6中，确定升压型三相电驱动器重构拓扑后各开关管的导通时间，具体方法为：
表8 重构拓扑后各开关管的切换时间点
Figure 884912DEST_PATH_IMAGE029
在一个开关周期内，通过表8确定重构拓扑后各开关管的切换时间点，表中，M、N的取值均为a、b、c，当M=a、b、c时，对应的N= b、c、a；
M、N相的导通时间点以及关断时间点表示M、N相的上开关管的导通以及关断时间，该相的下开关管的导通以及关断状态与该相的上开关管互补。
进一步的，步骤7，将开关管导通时间与三角载波进行调制，输出开关管PWM脉冲信号，完成容错控制，具体方法为：
采用DPWM技术，将开关管导通以及关断时间与周期为开关周期的三角载波进行调制，根据功率开关管开通关断时间加入死区时间，得到PWM脉冲；
将4路PWM脉冲作用于功率开关管驱动电路，驱动电路控制相应的功率开关管开通与关断；
采集电容侧直流电压，与参考电压做差输入PI控制器，输出中间变量Tz，以Tz作为各扇区矢量作用时间模块的输入，起到调节直流侧电容电压的功能，直至直流侧电容电压达到参考值，完成电驱动***的容错控制。
一种升压型三相电驱动器容错控制***，用于实现所述的升压型三相电驱动器容错控制方法。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现所述的升压型三相电驱动器容错控制方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的升压型三相电驱动器容错控制方法。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）结合SSI逆变器拓扑以及三相四开关驱动器容错拓扑，故障后切换***的控制算法，引入电压环，***由原来的转速环、电流环双环控制切换为电压环、转速环、电流环三环控制，使得直流侧电容电压抬升到原先的两倍，实现高电能质量、满负荷的容错控制运行。2）在故障发生后将电容电压提升为原来的两倍，将电压矢量圆恢复为正常控制时的大小。解决了传统三相四开关容错运行时,由于电压矢量圆下降为原来的一半，导致额定转速/功率下降一半的问题。3）利用较少的有源器件，仅需在三相升压型驱动器中额外加入三个双向晶闸管，在获取故障开关管信息后，通过改变拓扑以及控制算法，即可实现单级升压型驱动器的容错功能，降低***的尺寸、成本、重量以及复杂性。4）可以针对所有单管开路故障、所有单相开路故障、所有单管短路故障、所有单相短路故障完成容错控制。
附图说明
图1为具备容错功能的升压型三相电驱动器的拓扑图。
图2为升压型三相电驱动器的容错控制框图。
图3（a）为三相六开关逆变器空间矢量圆示意图；图3（b）为三相六开关切换为常规三相四开关容错拓扑之后，缩小的矢量圆示意图；图3（c）为采用容错控制方法恢复正常大小的电压矢量圆示意图。
图4（a）为a相开关管故障a相电流在大于零以及小于零时的电流流向示意图；图4（b）为a相开关管故障b相电流在大于零时，b相桥臂不同开关状态时的电流流向示意图；图4（c）为a相开关管故障b相电流在小于零时，b相桥臂不同开关状态时的电流流向示意图；图4（d）为a相开关管故障c相电流在大于零时，c相桥臂不同开关状态时的电流流向示意图；图4（e）为a相开关管故障c相电流在小于零时，c相桥臂不同开关状态时的电流流向示意图。
图5（a）为a相开关管故障，开关状态为(Sb Sc)=(00)、(01)、(10)时，***的等效电路图；图5（b）为a相开关管故障，开关状态为(Sb Sc)= (11)时，***的等效电路图。
图6（a）为正常运行时电机三相电流示意图；图6（b）为正常运行时电压源输入电压UIn与直流侧电容电压Udc示意图；图6（c）为正常运行时电机转速示意图；图6（d）为正常运行时电机电磁转矩示意图。
图7（a）为a相开关管故障运行时电机三相电流示意图；图7（b）为a相开关管故障运行时电压源输入电压UIn与直流侧电容电压Udc示意图；图7（c）为a相开关管故障运行时电机转速示意图；图7（d）为a相开关管故障运行时电机电磁转矩示意图，从图中可以看出，故障后电机处于失控状态，被负载倒拖反转运行。
图8（a）为a相开关管故障容错运行时电机三相电流示意图；图8（b）为a相开关管故障容错运行时电压源输入电压UIn与直流侧电容电压Udc示意图；图8（c）为a相开关管故障容错运行时电机转速示意图；图8（d）为a相开关管故障容错运行时电机电磁转矩示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
图1是具备容错功能的升压型三相电驱动器拓扑。TR1、TR2、TR3是双向晶闸管；L1为电感；D7、D8、D9为二极管；Cf为直流侧电容；S1~S6为功率开关管IGBT；D1~D6为二极管；F1~F6为快速熔丝；UIn是外部输入直流电源；Udc是直流侧电容电压。***正常运行时，双向晶闸管TR1、TR2、TR3保持关断状态，***采用常规的三相六开关SVPWM进行控制，无需更改控制算法，此种拓扑具备将直流电源UIn电压等级提高的功能。当驱动器某一桥臂功率器件发生短路或开路故障时，断开故障桥臂，同时打开相应的双向晶闸管，切换***为三相四开关拓扑。ia、ib 、ic为流过电机a、b、c相的电流。
图2是升压型三相电驱动器控制框图。永磁同步电机PMSM自带一个编码器。编码器采集电机运行时的电角度θe。θe通过微分变换得到电机转速w。转速参考值w*、d轴电流参考值Id *、直流侧电容电压参考值Udc*由人为设定。正常运行时升压型三相电驱动器采用转速外环，电流内环双闭环设计。参考转速由人为设定。转速外环为：采集电机转速，与参考转速作差输入PI调节器，输出q轴电流参考值。电流内环为：采集三相电流、电机电角度，经过Park变换得到d
Figure 357482DEST_PATH_IMAGE001
q轴电流，分别与d，q轴电流参考值作差输入PI调节器，输出d，q轴电压参考值，经过Park逆变换得到α、β轴电压参考值
Figure 595565DEST_PATH_IMAGE002
；输入SVPWM控制模块生成6路控制IGBT门极通断的信号。6路门极信号输入到三相六开关拓扑中。三相六开关拓扑引出a，b，c三相与电机a、b、c三相相连。容错运行时，采用电压、转速外环，电流内环三闭环运行。转速环，电流环与正常运行时一致，电压环中电压参考值是正常运行时直流侧电容电压的两倍，与采集到的直流侧电容电压作差，输入PI调节器，输出Tz，Tz输入到修改后的SVPWM模块中，生成4路控制IGBT门极通断的信号。4路门极信号输入到三相四开关拓扑中。三相四开关拓扑引出a、b、c三相与电机a、b、c三相相连。PI模块不断调整Tz的值直至直流侧电容电压Udc抬升到原先的两倍，完成容错控制。
一种升压型三相电驱动器的容错控制方法，包括如下步骤：
步骤1、建立无故障情况下基本电压矢量，如表1所示；
表1 无故障情况下基本电压矢量表
Figure 520796DEST_PATH_IMAGE030
其中(Sa Sb Sc)为a、b、c相桥臂的开关函数，函数值为“1”表示该相上桥臂开关管导通，“0”表示该相下桥壁开关管导通，开关管不同开关状态组合分别对应8个基本电压矢量，分别为：U 0 (000)、U 1 (100)、U 2 (110)、U 3 (010)、U 4 (011)、U 5 (001)、U 6(101)、U 7 (111)。表中Ua、Ub、Uc为三相驱动器三相相电压，Uk为a、b、c三相电压经过Clark变换后得到的基本电压矢量，k取0~7。Udc为直流侧电容电压。
步骤2、根据故障开关管的位置，切换升压型三相电驱动器的拓扑结构；
***在正常情况下，为升压型三相六开关拓扑，母线间两串联电容的中点通过3个双向晶闸管分别连接到绕组端，每桥臂中串联有2 个快速熔丝。a相故障时，升压型三相电驱动器由b、c相的四个开关管控制，导通双向晶闸管TR1。b相故障时，升压型三相电驱动器由a、c相的四个开关管控制，导通双向晶闸管TR2。c相故障时，升压型三相电驱动器由a、b相的四个开关管控制，导通双向晶闸管TR3。
故障分为开路故障和短路故障，开路故障对应的双向晶闸管动作如表2所示：
表2 不同开关管开路故障对应的双向晶闸管动作
Figure 371202DEST_PATH_IMAGE032
当开关管发生短路故障后，对应开关管的快速熔丝熔断，将短路故障转换为开路故障。短路故障对应的双向晶闸管以及快速熔丝动作如表3所示：
表3 不同开关管短路故障对应的双向晶闸管以及快速熔丝动作
Figure 432699DEST_PATH_IMAGE033
以a相故障为例。图3（a）是三相六开关逆变器空间矢量圆，每个矢量的长度为2Udc/3，矢量圆的半径为
Figure 841684DEST_PATH_IMAGE034
Udc/3，Udc为电容侧电压，图3（b）为a相故障之后，三相六开关切换为三相四开关容错拓扑之后，重构的矢量圆，短矢量的长度为Udc /3，长矢量的长度为
Figure 254211DEST_PATH_IMAGE034
Udc/3，矢量圆的半径降低为原先的一半，为
Figure 908308DEST_PATH_IMAGE034
Udc/6。常规的三相六开关驱动器切换为四开关驱动器时，由于空间矢量圆降为原来的一半，导致额定输出功率也会降低为原先的一半。要想保持额定的输出转矩，则额定转速需要下降为原来的一半。具备容错能力的升压型三相六开关SSI驱动器恰好可以解决这个问题。在升压型三相六开关SSI拓扑切换为升压型三相四开关SSI拓扑时，也会出现矢量圆缩小的情况，缩小的大小与***的零矢量作用时间有关。升压型三相四开关SSI驱动器的作用是进一步提升直流电压，将直流侧电容电压提升为原先三相六开关SSI拓扑的两倍，则缩小的每个矢量扩大为原先的两倍，矢量圆也会恢复为原先的大小。如图3（c），当电压矢量圆的半径恢复为原先
Figure 89891DEST_PATH_IMAGE034
Udc/3时，即可实现***的全功率容错运行。
步骤3、重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量；
确定电机相电压与开关状态的关系为：
Figure 404198DEST_PATH_IMAGE008
定义三相合成电压空间矢量：
Figure 304020DEST_PATH_IMAGE035
式中
Figure 496230DEST_PATH_IMAGE010
为空间旋转因子。
以 Sa、Sb、Sc分别表示 a、b、c 桥臂上功率器件的开关状态，等于 “1” 时表示上管开通下管关断，等于 “0” 时表示下管开通上管关断。当a相故障时，电机绕组a相连接于电容中点，Sa恒为1/2。升压型三相电驱动器由b、c相的四个开关管控制，具有(Sb Sc)=(00)、(Sb Sc)=(0 1)、(Sb Sc)=(1 0)、(Sb Sc)=(1 1)4种开关状态。当b相故障时，电机绕组a相连接于电容中点，Sb恒为1/2。升压型三相电驱动器由c、a相的四个开关管控制，具有(ScSa)=(0 0)、(Sc Sa)=(0 1)、(Sc Sa)=(1 0)、(Sc Sa)=(1 1)4种开关状态。当c相故障时，电机绕组c相连接于电容中点，Sc恒为1/2。升压型三相电驱动器由a、b相的四个开关管控制，具有(Sa Sb)=(0 0)、(Sa Sb)=(0 1)、(Sa Sb)=(1 0)、(Sa Sb)=(1 1)4种开关状态。U0’、U1’、U2’、U3’分别对应于上述故障后工作的两相开关管 (00)、(01) 、(10) 、(11) 开关状态时的基本电压矢量。
重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量如表4所示
表4 重构的基本电压矢量表
Figure 797898DEST_PATH_IMAGE036
由于a、b、c三相中的某一相发生故障后，U0’、U1’、U2’、U3’四个基本电压矢量在平面中均为U0’ 、U1’、 U3’、 U2’顺时针排序，每个相邻矢量间隔90°。为了简化统一a、b、c各相故障后参考矢量的计算，令坐标轴
Figure 283106DEST_PATH_IMAGE013
’、
Figure 670225DEST_PATH_IMAGE037
’ 正方向为基本电压矢量U0’、 U2’的正方向。参考矢量
Figure 666125DEST_PATH_IMAGE015
在
Figure 556721DEST_PATH_IMAGE013
’、
Figure 478409DEST_PATH_IMAGE037
’轴上的投影为
Figure 87245DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 886836DEST_PATH_IMAGE017
。
以a相开关管故障为例。规定流入电机方向为电流正方向。当a相开关管故障后，a相通过双向晶闸管连接到直流侧电容中点。图4（a）~图4（e）为各开关矢量状态时，三相a、b、c电流的电流流向。图4(a) 为a相电流在大于零以及小于零时的电流流向；图4(b) 为b相电流在大于零时，b相桥臂不同开关状态时的电流流向；图4(c) 为b相电流在小于零时，b相桥臂不同开关状态时的电流流向；图4(d) 为c相电流在大于零时，c相桥臂不同开关状态时的电流流向；图4(e) 为c相电流在小于零时，c相桥臂不同开关状态时的电流流向。图5(a)~图5(b)用以说明三相四开关容错型SSI充放电等效电路图。 S6，2表示开关管S6、S2有一个开通，以及开关管S6、S2两个都开通。S3，5表示开关管S3、S5两个都开通。图5(a)为当开关状态为(Sb Sc)=(00)、(01) 、(10) 时，***的等效电路图。此时***对电容Cf放电，电感L1充电。图5(b)为当开关状态为(Sb Sc)= (11) 时，***的等效电路图。此时***对电容Cf充电，电感L1放电。因此在四种开关状态中只有(Sb Sc)= (11)是电容Cf充电，电感L1放电。通过分配不同的矢量作用时间，即通过分配电容Cf、电感L1的充放电时间，即可达到控制电容侧直流电压UIn的目的。
步骤4、采用四扇区划分方式，对扇区进行划分，具体为：
定义函数：
Figure 897517DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 990107DEST_PATH_IMAGE019
定义扇区计算值N函数：
Figure 86239DEST_PATH_IMAGE020
通过表5确定N的计算值与实际扇区编号之间的对应关系，即可完成扇区划分；
表5 N的计算值与扇区对应关系
Figure 423942DEST_PATH_IMAGE039
步骤5、从重构的基本电压矢量中选择作用矢量；
基本电压矢量U0’~U3’可以单独作为有效矢量作用，也可以取其中的两个相反方向的矢量作为等效零矢量作用。因为四开关***中不存在零矢量，因此等效零矢量需要在相同时间内，施加 2 个相反方向的基本电压矢量来等效。使用U0’（00）、U3’（11）作为一对等效零矢量；使用U1’（01）、U2’（10）作为另外一对等效零矢量。有效矢量和等效零矢量一起合成参考矢量。
考虑到最小开关损耗，当参考矢量位于第一扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U2’、U0’、U1’、U3’；当参考矢量位于第二扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U3’、U2’、U0’、U1’；当参考矢量位于第三扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U1’、U3’、U2’、U0’；当参考矢量位于第四扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U0’、U1’、U3’、U2’。
在升压型三相四开关SSI中，有四种开关状态(00)、(01) 、(10) 、(11)对应着四种基本电压矢量，其中U0’ (00)、U1’(01)、U2’(10)这三种基本电压矢量是对电容放电，电感充电的，只有 U3’(11)是对电容充电，电感放电的。每个开关周期中，参考矢量是由有效矢量以及等效零矢量合成的。有效矢量是固定的，而等效零矢量可以由U0’（00）、U3’（11）或者U1’（01）、U2’（10）来合成。等效零矢量有两对，两对等效零矢量作用时间之和是固定的，但是每一对零矢量的作用时间可以按照需求分配。通过控制U0’、U3’以及U1’、U2’这两对等效零矢量的相对时间，则可以达到控制电容电压的目的。
步骤5、确定故障后基本电压矢量的作用时间；
定义中间变量：
Figure 289130DEST_PATH_IMAGE023
式中， Udc为直流侧电容电压，Ts为开关周期；
定义各扇区有效矢量作用时间为Tx、Ty。第一扇区作用的有效矢量为U0’、U2’，作用时间分别为Tx、Ty；第二扇区作用的有效矢量为U2’、U3’，作用时间分别为Tx、Ty；第三扇区作用的有效矢量为U3’、U1’，作用时间分别为Tx、Ty；第四扇区作用的有效矢量为U1’、U0’，作用时间分别为Tx、Ty。通过表6确定四扇区划分时各扇区基本电压矢量中，有效矢量的作用时间Tx和Ty：
表6 四扇区划分时各扇区有效矢量的作用时间T1和T2
Figure 427987DEST_PATH_IMAGE040
定义等效零矢量作用时间：
T0=Ts-Tx-Ty
每个扇区的等效零矢量由U0’、U1’、U2’、U3’共同合成，U0’、U3’为一对；U1’、U2’为一对；每一对中的两个矢量作用时间相等。
定义中间变量：
0<=Tz<=T0
令一对矢量U1’、U2’的作用时间为
Figure 136049DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 385765DEST_PATH_IMAGE026
；另一对矢量U0’、 U3’的作用时间为
Figure 997137DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 306895DEST_PATH_IMAGE027
。在一个开关周期内，由基本电压矢量作为基础的有效矢量与等效零矢量共同作用，合成参考矢量。通过表7确定各扇区基本电压矢量作用时间：
表7 各扇区基本电压矢量作用时间
Figure 502253DEST_PATH_IMAGE041
。
步骤6、确定升压型三相电驱动器重构拓扑后各开关管的导通时间；
重构拓扑后，升压型三相电驱动器由四个IGBT功率开关管控制，即三相四开关拓扑。由表7各扇区矢量作用时间，在一个开关周期内，通过表8确定重构拓扑后各开关管的切换时间点；
表8 重构拓扑后各开关管的切换时间点
Figure 555660DEST_PATH_IMAGE042
表中，M、N的取值均为a、b、c。当M=a、b、c时，对应的N= b、c、a。M、N相的导通时间点以及关断时间点表示M、N相的上开关管的导通以及关断时间，该相的下开关管的导通以及关断状态与该相的上开关管互补。
步骤7、采用DPWM技术，将开关管导通以及关断时间与周期为开关周期的三角载波进行调制，调制后的脉冲根据功率开关管开通关断时间加入死区时间，得到PWM脉冲。将输出的4路PWM脉冲作用于功率开关管驱动电路，驱动电路控制相应的功率开关管开通与关断。采集电容侧直流电压，与参考电压做差输入PI控制器，输出变量Tz，Tz作为经过修改的SVPWM模块的输入，起到调节直流侧电容电压的作用，直至直流侧电容电压达到参考值，完成电驱动***的全功率容错控制。
本发明通过获取故障信息，改变相应的***硬件拓扑以及控制算法，能够实现全部单管、同一桥臂双管开路故障或者短路故障情况下的状态恢复，达到高电能质量、满负荷的容错运行。
为了验证本发明方案的有效性，以a相开关管故障为例，进行容错控制方法验证。
图6（a）为正常运行时电机三相电流；图6（b）为正常运行时电压源输入电压UIn与直流侧电容电压Udc，从图中可以看出，输入电压UIn为20V,经过电路升压后，直流侧电容电压Udc为115V；图6（c）为正常运行时电机转速，转速为30rad/s；图6（d）为正常运行时电机电磁转矩，电磁转矩为11N*m左右。
图7（a）为a相开关管故障后，故障运行时电机三相电流，由图可知三相电流幅值急剧增大；图7（b）为故障运行时电压源输入电压UIn与直流侧电容电压Udc，输入电压UIn仍然为20V，由图可知直流侧电容电压较正常时的115V略有上升；图7（c）为故障运行时电机转速，由图可知转速下降为负值，电机此时处于失控状态，被负载倒拖反转运行。图7（d）为故障运行时电机电磁转矩，由图可知电机电磁转矩急剧震荡，并且为负值。此时整个***处于崩溃状态。
图8（a）为容错运行时电机三相电流，从图中可以看出三相电流基本恢复为正常运行时的状态；图8（b）为容错运行时电压源输入电压UIn与直流侧电容电压Udc，输入电压UIn仍然为20V，直流侧电容电压Udc按照需求抬升到正常运行时的两倍，为230V，目的是为了使得***恢复全功率运行；图8（c）为容错运行时电机转速，电机转速恢复至正常运行时的状态，为30rad/s；图8（d）为容错运行时电机电磁转矩，电磁转矩也恢复至正常运行时的状态，电机运行平稳。
从图7（a）~图7（d）和图8（a）~8（d）的结果可以看出，升压型三相电驱动器容错控制方法，在驱动器单相故障后，能够在***故障后对电流，转速，转矩，直流侧电容电压起到良好的控制作用，仍然能够实现驱动器高电能质量、满负荷的容错运行，增强了***的可靠性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种升压型三相电驱动器，其特征在于，直流侧由两个串联电容Cf组成，两电容的中点通过3个双向晶闸管TR1、TR2、TR3分别连接到a、b、c三相绕组端，串联电容的另一端分别连接三相桥臂a相、b相、c相；供电电源UIn负极连接三相桥臂a相、b相、c相的下桥臂，正极连接电感L1，电感L1另一端连接二极管D7、D8、D9的正极，二极管D7、D8、D9负极分别连接a、b、c三相绕组端；三相桥臂a相、b相、c相由六个IGBT功率开关管S1~S6以及与开关管并联的六个二极管D1~D6组成，每相桥臂串联2个快速熔丝，共有6个快速熔丝F1~F6；当驱动器某一桥臂功率器件发生短路故障时，对应快速熔丝熔断，断开故障桥臂；开路故障时，故障桥臂自动失效，停止输入故障桥臂开关管驱动信号，同时打开相应的双向晶闸管，切换***为升压型三相四开关拓扑结构；
正常运行时采用转速外环，电流内环双闭环运行，其中转速环采集电机转速，与参考转速作差输入PI调节器，输出q轴电流参考值；电流环采集三相电流、电机电角度，经过Park变换得到d
Figure DEST_PATH_IMAGE002
q轴电流，分别与d、q轴电流参考值作差输入PI调节器，输出d、q轴电压参考值，经过Park逆变换得到α、β轴电压参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，输入SVPWM控制模块生成6路控制IGBT门极通断的信号；
容错运行时采用电压、转速外环，电流内环三闭环运行，其中转速环、电流环与正常运行时一致，电压环中电压参考值是正常运行时直流侧电容电压的两倍，与采集到的直流侧电容电压作差，输入PI调节器，输出中间变量Tz，输入到SVPWM模块中，PI模块不断调整Tz的值直至直流侧电容电压Udc抬升到原先的两倍，完成容错控制。
2.一种升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的升压型三相电驱动器完成容错控制，包括如下步骤：
步骤1、建立无故障情况下基本电压矢量；
步骤2、根据故障开关管的位置，切换升压型三相电驱动器的拓扑结构；
步骤3、重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量；
步骤4、采用4扇区划分方式，对扇区进行划分；
步骤5、从重构的基本电压矢量中选择作用矢量，并确定对应的作用时间；
步骤6、确定升压型三相电驱动器重构拓扑后各开关管的导通时间；
步骤7、将开关管导通时间与三角载波进行调制，输出开关管PWM脉冲信号，完成容错控制。
3.根据权利要求2所述的升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，步骤1，建立无故障情况下基本电压矢量，如表1所示：
表1 无故障基本电压矢量表
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中(Sa Sb Sc)为a、b、c相桥臂的开关函数，函数值为“1”表示该相上桥臂开关管导通，“0”表示该相下桥壁开关管导通，开关管不同开关状态组合分别对应8个基本电压矢量，分别为：U0 (000)、U1 (100)、U2 (110)、U3 (010)、U4 (011)、U5 (001)、U6 (101)、U7(111)，表中Ua、Ub、Uc为三相驱动器三相相电压，Uk为a、b、c三相电压经过Clark变换后得到的基本电压矢量，k取0~7，Udc为直流侧电容电压。
4.根据权利要求2所述的升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，步骤2，根据故障开关管的位置，切换升压型三相电驱动器的拓扑结构，具体方法为：
a相故障时，升压型三相电驱动器由b、c相的四个开关管控制，b相故障时，升压型三相电驱动器由c、a相的四个开关管控制，c相故障时，升压型三相电驱动器由a、b相的四个开关管控制，由于故障包括开路故障和短路故障，开路故障对应的双向晶闸管动作如表2所示：
表2 不同开关管开路故障对应的双向晶闸管动作
Figure DEST_PATH_IMAGE008
当开关管发生短路故障后，对应开关管的快速熔丝熔断，将短路故障转换为开路故障，短路故障对应的双向晶闸管以及快速熔丝动作如表3所示；
表3 不同开关管短路故障对应的双向晶闸管以及快速熔丝动作
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
5.根据权利要求4所述的升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，步骤3，重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量，具体方法为：
确定电机相电压与开关状态的关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
式中Ua、Ub、Uc为三相驱动器三相相电压，Sa、Sb、Sc分别表示a、b、c桥臂上功率器件的开关状态，等于“1”时表示上管开通下管关断，等于“0”时表示下管开通上管关断；当a相故障时，电机绕组a相连接于电容中点，Sa恒为1/2；升压型三相电驱动器由b、c相的四个开关管控制，具有(Sb Sc)=(0 0)、(Sb Sc)=(0 1)、(Sb Sc)=(1 0)、(Sb Sc)=(1 1)4种开关状态；当b相故障时，电机绕组b相连接于电容中点，Sb恒为1/2，升压型三相电驱动器由c、a相的四个开关管控制，具有(Sc Sa)=(0 0)、(Sc Sa)=(0 1)、(Sc Sa)=(1 0)、(Sc Sa)=(1 1)4种开关状态；当c相故障时，电机绕组c相连接于电容中点，Sc恒为1/2，升压型三相电驱动器由a、b相的四个开关管控制，具有(Sa Sb)=(0 0)、(Sa Sb)=(0 1)、(Sa Sb)=(1 0)、(Sa Sb)=(1 1)4种开关状态；
确定三相合成电压空间矢量：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为空间旋转因子；
确定重构单管或单相故障情况下的基本电压矢量，如表4所示；
表4 重构的基本电压矢量表
Figure DEST_PATH_IMAGE018
由于a、b、c三相中的某一相发生故障后，U0’、U1’、U2’、U3’四个基本电压矢量在平面中按照U0’、U1’、U3’、U2’顺时针排序，每个相邻矢量间隔90°，为了简化统一各相故障后参考矢量的计算，令坐标轴
Figure DEST_PATH_IMAGE020
’、
Figure DEST_PATH_IMAGE022
’正方向为基本电压矢量U0’、U2’的正方向，参考矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
在
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
’、
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
’轴上的投影为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE028
。
6.根据权利要求5所述的升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，步骤4，采用四扇区划分方式，对扇区进行划分，具体方法为：
定义函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
定义扇区计算值N：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
通过表5确定N与实际扇区编号之间的对应关系，完成扇区划分；
表5 N的计算值与扇区对应关系表
Figure DEST_PATH_IMAGE036
。
7.根据权利要求6所述的升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，步骤5，从重构的基本电压矢量中选择作用矢量，并确定对应的作用时间，具体方法为：
步骤5.1，从重构的基本电压矢量中选择作用矢量；
作用矢量包括有效矢量和零矢量，将基本电压矢量U0’~U3’单独作为有效矢量，取两个相反方向的基本电压矢量合成等效零矢量，即使用U0’（00）、U3’（11）合成一个等效零矢量，使用U1’（01）、U2’（10）合成另外一个等效零矢量；将有效矢量和等效零矢量一起合成参考矢量；
考虑到最小开关损耗，当参考矢量位于第一扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U2’、U0’、U1’、U3’；当参考矢量位于第二扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U3’、U2’、U0’、U1’；当参考矢量位于第三扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U1’、U3’、U2’、U0’；当参考矢量位于第四扇区时，选取基本电压矢量作用顺序为U0’、U1’、U3’、U2’；
步骤5.2，确定作用矢量的作用时间；
定义中间变量：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
式中Ts为开关周期；
设第一扇区作用的有效矢量为U0’、U2’，作用时间分别为Tx、Ty；第二扇区作用的有效矢量为U2’、U3’，作用时间分别为Tx、Ty；第三扇区作用的有效矢量为U3’、U1’，作用时间分别为Tx、Ty；第四扇区作用的有效矢量为U1’、U0’，作用时间分别为Tx、Ty；通过表6确定各扇区有效矢量的作用时间；
表6 各扇区有效矢量的作用时间
Figure DEST_PATH_IMAGE040
定义等效零矢量的作用时间：
T0=Ts-Tx-Ty
由于每个扇区的等效零矢量由U0’、U1’、U2’、U3’共同合成，定义中间变量：
0<=Tz<=T0
合成等效零矢量的两个基本电压矢量的作用时间相等，则U1’、U2’的作用时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
；U0’、U3’的作用时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
；
通过表7确定各扇区基本电压矢量作用时间：
表7各扇区基本电压矢量作用时间
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。
8.根据权利要求2所述的升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，步骤6中，确定升压型三相电驱动器重构拓扑后各开关管的导通时间，具体方法为：
表8 重构拓扑后各开关管的切换时间点
Figure DEST_PATH_IMAGE048
在一个开关周期内，通过表8确定重构拓扑后各开关管的切换时间点，表中，M、N的取值均为a、b、c，当M=a、b、c时，对应的N= b、c、a；
M、N相的导通时间点以及关断时间点表示M、N相的上开关管的导通以及关断时间，该相的下开关管的导通以及关断状态与该相的上开关管互补。
9.根据权利要求2所述的升压型三相电驱动器容错控制方法，其特征在于，步骤7，将开关管导通时间与三角载波进行调制，输出开关管PWM脉冲信号，完成容错控制，具体方法为：
采用DPWM技术，将开关管导通以及关断时间与周期为开关周期的三角载波进行调制，根据功率开关管开通关断时间加入死区时间，得到PWM脉冲；
将4路PWM脉冲作用于功率开关管驱动电路，驱动电路控制相应的功率开关管开通与关断；
采集电容侧直流电压，与参考电压做差输入PI控制器，输出中间变量Tz，以Tz作为各扇区矢量作用时间模块的输入，起到调节直流侧电容电压的功能，直至直流侧电容电压达到参考值，完成电驱动***的容错控制。
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